基于双GPS接收机的自主定位定向系统的设计与实现精Word格式.docx
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1引言
在未来战争中,自行火炮和炮兵侦察校射雷达等间瞄武器和侦察定位装备（统称载体正发挥着越来越重要的作用。
在影响这些武器系统作用发挥的诸多因素中,测地保障是其中最重要的因素之一。
能否为这些装（备提供全天候、实时、快速、准确地测地保障,将直接影响到炮兵火力反应的速度和侦察定位的精度,甚至关系到战斗的成败。
由于未来高技术条件下作战全天候、全天时的特点,作战行动将不分昼夜连续实施,而我军目前的测地保障受测地车、测地器材等条件的限制,在夜间实施的难度较大,并且增加了组织协同的复杂性。
当对载体定位定向的时间和精度要求较高时,以往只能采用基于惯性技术的导航寻北仪,这种装置的主要缺点是成本高,一般在30万以上。
GPS一般只用于定位,无法对载体进行定向[1]。
为解决这一方面的问题,我们研制设计了基于双GPS接收机的自主定位定向系统。
该系统内置两台GPS接收板,采用载波相位差分定位技术,实现对载体的定位定向,具有成本底、性价比高、使用范围广、定位定向时间短、精度高的特点。
2系统的结构组成及基本工作原理
21系统结构组成
系统的组成框图如图1所示。
图1自主定位定向系统组成框图
中心计算机选用STX接口连接形式的嵌入式PC,用以
完成对整个系统的控制及数据处理。
该模块体积小、功耗低,对外接口形式方便、可靠。
模块通过STX接口直接连接用户自行开发的特殊功能底板,可实现真正意义上的嵌入式应用,减少中间连接环节,提高了可靠性。
GPS接收板采用较为先进的AshtechG12接收板,其作用是处理从天线过来的卫星信号,转化成能够计算机处理的数字信号。
AshtechG12接收板以其优越的性能在高精度海、陆、空导航应用中建立了一个新标准,这种功能强大的12通道接收机为实时导航、定位和原始数据输出提供20HZ更新率。
G12差分精度优于40cm,定位等待时间小于50ms,它提供的精确三维位置可以满足高端OEM系统集成的应用要求。
G12融合了全视野跟踪,能同时跟踪12颗星且失锁后的重捕时间小于2s,获得的定位精度优于40cm,且几乎于捕捉到卫星后立即得到这样的精度,不精确的信号由RAIM（接收机自主完善性监测消除,而且Ashtech的选通相关技术能有效地消去多路径效应,从而获得最佳的定位精度。
该系统配有RS232定位定向数据输出接口,实现与其他设备进行数传通讯的功能。
战时根据作战需要,可扩展为数字化自动定位定向指挥系统。
为保证装备的统一供电要求,该系统采用+12V电源供电。
22定位原理
GPS（GloblePositioningSystem全球定位系统是美国第二代卫星导航系统,其基本原理是通过GPS接收机对卫星发出的伪距信号进行解码,计算出地球上的绝对位置,为了获得定点的定位信息,必须同时依赖四颗卫星。
按照定位方式,GPS定位可以分为单点定位和相对定位（差分定位。
单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机的位置,它只能采用伪距观测量,虽然设备简单,但是由于受到卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差的影响,其定位精度较低,约为5~10m的精度级。
差分GPS分为两大类:
伪距差分和载波相位差分。
其中载波相位差分（RealTimeKinematic是一种将GPS与数传技术相结合,实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法,经实时解算进行数据处理,在1~2s时间里得到高精度位置信息的技术[2,3]。
本系统采用载波相位差分技术,将其中一台GPS接收机作为基准站,另一台作为移动站,将基准站采集的载波相位发送给移动站,进行求差解算坐标。
载波相位差分可以抵消系统的公共误差,使定位精度达到厘米级。
载波相位差分的观测模型为:
=+cdT-dt+N+dtrop-dion+dpral+式中:
相位测量值,m;
星站间的几何距离;
c光速;
第3期李可心等基于双GPS接收机的自主定位定向系统的设计与实现dT接收机钟差;
dt卫星钟差;
载波相位波长;
N整周未知数;
dtrop对流层折射影响;
dion电离层折射影响;
dpral相对论效应;
观测噪声参数。
因轨道误差、时钟差、电离层折射及对流层折射影响难以精确模型化,所以在数据处理中采用双差观测值方程来解算[4],在定位前需先确定整周未知数。
在该系统中,采用伪距和相位相结合的方法。
首先用伪距求出整周未知数的搜索范围,再用L1和L2相位组合和后继观测历元解算和精化。
利用伪距估计初始位置和搜索空间,快速定出精确的初始位置。
23定向原理
本系统的定向原理如图2所示。
利用两台GPS卫星信号接收机的原始数据输出,通过载波相位快速差分定位软件,精确解算出两个天线中心的相对位置坐标x和y。
X=
X2-X1;
Y=Y2-Y1
则有:
=arctanY
X
图2系统定向原理示意图
依据X和Y的正负取值及,即可得到两个天线中心连线的方位角AZ,并在同时给出两个天线中心的WGS-84坐标,通过坐标变换和投影变换可转换为当地的平面直角坐标,进而实现
定向。
在两个天线相距较近
（小于100m的情况下,X和Y的误差小于5mm。
3关键技术的实现
31坐标转换
GPS接收机接收到卫星信号是以经纬度表示的WGS84坐标系。
该坐标系是协议地球坐标系,其坐标原点在地球质心,为了获得便于使用的平面直角坐标系,需要进行高斯克吕格投影计算,转化为平面直角坐标系。
高斯克吕格投影是一种等角横切圆柱投影,
其坐标系的横轴为赤道,纵轴为中央经线,坐标原点为中央经线与赤道的交点[5],高斯投影计算的原理如图3所示。
图3高斯投影原理图
高斯投影计算的条件为:
中央经线和地球赤道投影成为直线且为投影的对称轴;
高斯投影中为了限制长度变形,采用等角分带
投影计算;
投影后中央经线上没有长度变形。
高斯投影的计算公式为:
XBO=COBcosBC1sinB+C2sin3B+C3sin5Bt=tanBl=L-LOmO=lcosB
N=
1-e2sin2B2=e2
1-e
2
cos2B
x=XBO+12Ntm2O+1245-t2+92+4
4
Ntm4O
+
1720
61-58t2+t4Ntm6Oy=NmO+161-t2+2Nm3
O
+1120
5-18t2+t4+142-582t2Nm5
式中:
L、B为转换前的经纬度坐标;
x、y为转换后的高斯坐标;
L0为投影带的中央经线坐标,为克拉索夫斯基椭球的长半轴,e为克拉索夫斯基椭球的第一偏心率;
C0、C1、C2、C3为与点位无关而只与椭球参数有关的常数。
经过高斯投影计算便可以由GPS接收机输出的WGS-84坐标系经纬度信息解算出点的高斯-克吕格坐标系纵、横坐标。
再进行相应的坐标系平移和旋转,便可以计算出军方采用的BJZ54坐标系中的位置。
32GPS数据采集
图4GPS数据采集流程图GPS数据的采集过程如图4所示。
GPS接收机数据从遥测数据中分离出来后,利用星历数据计算出观测到的卫星位置,然后对RTCMSC104标准格式数据进行解码,得到伪距改正数和伪距改正数变化率和星历数据,然后进行实时定位解算。
为得到高精度数据,定位解算前对下列误差的修正:
对流层折射、电离层
折射、多路径效应、相对论效应、钟差、SA频率抖动、卫星轨道误差、地球旋转改正、天线相位中心偏差、地球固定潮改正等,目前这些误差改正模型可在相关资料中查找。
33定向精度
为了保证火炮或者雷达能够进行准确的标定,要求该系统具有较高的定向精度。
由于两个GPS天线间距已知,把这一条件引入载波相位测量的观测方程:
~
=-ion-
trop+cvta-cvtb-N0对观测方程进行优化处理,使相对水平定位精度达到3mm。
根据两点定一线的原理,定向精度取决于两点的相对水平定位精度和基线长L（即两天线中心的水平距离,当基线长为L（m时,3mm垂直基线方向的相对定位误
差带来的定向误差为arctan0003
L
由于3mm的静态相对
水平定位误差是均匀分布的,而平行于基线方向的相对定位误差不会产生定向误差,只有垂直基线方向的相对定位误差才会产生定向误差,所以实际的定向误差多数情况下
要小于arctan0003L。
L一般大于2,则arctan0003
近似等
于0003L,所以理论上定向精度优于0003L
弧度。
4试验结果与分析
为验证本系统的有效性,取基线长度L为3m,多次试验所得到3min和4min定向结果如表1和表2所示。
如表1和表2所示,当基线长为3m时,3mm垂直基线方向的相对定位误差带来的定向误差为095密位,实际的定向精度要小于095密位,摸底试验数据处理结果表明,定向精度优于070密位。
而传统炮兵射击对测地保障的要
181
测绘科学第35卷
求为方位误差小于1mi,l即采用本系统3分钟得到的定向
结果百分之百满足要求。
时间长一些,所得到的精度会更
高。
即使所应用的内外部环境对本系统的定位定向精度有
一定的影响,也完全满足装备的作战使用要求。
相对于传
统的测地分队需提前进入测地保障,该系统大大缩短了定
位定向的时间,降低了组织协调的复杂性。
表13分钟定向数据
处理结果
序号原始
数据
换算数
据（mil
残差
（mil
13219898-03223034849-08133039851079435519960665353698905963201889-04173210894-03683538101808893537989059RMS=067mil
表24分钟定向数据
序号
原始
13700102805
23538990012
33311922-056
4355699802
537251039061
63223900-078
73241908-07
836531025047
93548994016
103416952-026
11360010022
RMS=051mil
5结束语
该系统设计完成后,在炮兵部队和雷达部队进行了试
用。
试用表明,利用该系统对火炮及炮兵雷达等进行标定,
可以有效缩短装备的定位定向时间,提高火炮的反应速度
和雷达侦察定位的精度,解决因传统测地器材的限制而造
成的夜间标定困难、测地时间长、组织协同复杂的问题,
对充分发挥装备的作战效能发挥了极为重要的作用,在推
广应用上具有广阔前景。
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DesignandimplementationofautopositioningandorientingsystembasedontwinGPSreceiver
Abstract:
Onthebasisofanalyzingtheshortageofcurrentpositioningandorientingmeasure,thepaperprovidedthedesignschemeofautopositioningandorientingsystembasedontwinGPSreceiverItpresentedtheconfiguration,thebasictheoryandthekeytechnologyofthesystemThepracticeprovedthatthisproductwashighinreliability,strongininterchangeability,shortinpositioningandorientingtime,smallinsize,whichcouldsatisfytherequirementofoperation,andownedimportantmeaningforincreasingquickresponsabilityofequipments
Keywords:
autopositioningandorienting;
GPS;
RTK
LIKexin,XIAHongsen（DepartmentofElectronicReconnaissance,ShenyangArtilleryAcademy,Shenyang110162,China
（上接第184页
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Designandrealizationofwaterresourcesinformationmanagementandanalysis
systembasedonoracle10gandMapX
Waterresourcesinformationplaysavitalroleinthebasinplanningandmanagement,anditisthepremiseofpromotingthestandardizationandinformatizationofwaterbusinessBasedonspatialdatabaseOracle10gandcomponenttechnologywithMapX,waterresourcesmanagementandanalysissystemhasbeendesignedandexplored,moreover,theoriginalsystemwasappliedinSongliaobasinTheresultsindicatedthatthesystemisconvenient,highefficientanduserfriendly,anditwouldbeofgreatsignificanceforintegratingwaterresourcesplanningandpromotingtheinformatizationlevelofwaterresourcesmanagementKeywords:
Oracle10g;
spatialdatabase;
MapX;
Songliaobasin
LIUJiafu,SUNHongquan,XIULina,LIJing,WANGPing（CollegeofTourismandGeographicalSciences,JilinNormalUniversity,Siping136000,China;
AcademyofDisasterReductionandEmergencyManagement,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;
ChinaUniversityofGeosciences;
Beijing100083,China;
SchoolofUrbanandEnvironmentalSciences,NortheastNormalUniversity,Changchun130024,China
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